《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》：Durability of bio-carbonated soft soil under extreme freeze-thaw climates: Mechanical-physical-chemical insights
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本研究针对生物碳酸化软土在极端冻融气候下的长期性能退化问题，系统评估了不同MgO含量和纤维增强对材料力学-物理-化学性能的影响。研究发现冻融循环导致劈裂拉伸强度（STS）显著降低，水吸收率（WA）上升和超声波脉冲速度（UPV）下降，而提高MgO含量可增强初始强度并减缓性能衰减。纤维 reinforcement 虽未提升初始强度，但显著改善冻融抵抗力。该研究为BCRM技术在软土加固中的耐久性优化提供了重要理论支撑。
随着全球极端气候事件频发，寒区工程中软土地基的长期稳定性面临严峻挑战。传统的水泥固化技术虽广泛应用，但存在高能耗、高碳排放及低温环境下效果受限等问题。近年来，活性氧化镁生物碳酸化（BCRM）技术作为一种低碳高效的软土改良方法崭露头角，其通过脲酶细菌水解尿素产生碳酸根离子，促使活性氧化镁（r-MgO）生成具有胶结作用的水合碳酸镁（HMCs），可快速提升软土强度。然而，该技术在极端冻融循环作用下的耐久性机制尚不明确，制约了其工程推广应用。
为攻克这一难题，南京大学地球科学与工程学院团队在《Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering》发表了最新研究，系统揭示了生物碳酸化软土在-10°C至20°C极端冻融条件下的性能演化规律。研究通过宏观力学测试与微观结构分析相结合，创新性地引入纤维增强策略，为提升BCRM技术适应性提供了新思路。
本研究主要采用劈裂拉伸强度（STS）测试、超声波脉冲速度（UPV）检测、水吸收率（WA）测定及化学指标（pH、EC、ANC）监测等关键技术方法，结合数字显微镜观察微观结构变化。实验设计涵盖9%-11%梯度MgO含量及0.25%聚丙烯纤维添加组，通过模拟6次冻融循环系统评估性能衰减规律。
3.1. 外观变化
冻融循环导致样品表面粗糙度增加并产生微裂纹，但所有样品均保持基本圆柱形态，表明生物碳酸化处理赋予了软土一定的形状稳定性。
3.2. STS和应力-应变关系
STS随冻融循环次数增加呈持续下降趋势，首次循环后强度衰减最为显著（降幅达30.5%-52.4%）。提高MgO含量至11%可提升初始STS并减缓衰减速率，6次循环后强度保留率仍达18.6%。应力-应变曲线显示，高MgO含量样品出现"剥皮"式破坏特征，揭示内外层水分分布不均导致的差异化冻胀损伤机制。
3.3. WA和UPV
WA随冻融循环从初始38.3%-39.7%增至43.4%-45.5%，UPV同步下降23.2%-45.8%，证实冻胀作用导致孔隙率增加和结构完整性劣化。MgO含量提升可显著改善孔隙结构，11%组WA增幅仅5.1%，显著低于9%组的7.2%。
3.4. pH、EC和ANC
土壤基质pH值呈现先升后降趋势（峰值出现在第2-3次循环），源于冻胀破坏HMCs包裹层释放未反应r-MgO。电导率（EC）持续下降反映可溶盐淋失，而氨氮浓度（ANC）在首次循环后骤增61.6%-101.7%，归因于土壤团聚体崩解释放封存铵离子。
3.5. 纤维增强改进
纤维的桥接作用使样品在5次冻融后STS提升35.32%-91.9%，并产生10-15kPa残余强度。但界面空隙和纤维团聚现象削弱了初始强度提升效果。
3.6. 微观图像分析
显微镜观测显示冻胀导致胶结失效和微裂纹扩展（宽度超100μm），而纤维与土壤界面存在明显空隙，解释了其增强机制的局限性。
研究结论表明，BCRM技术改良软土的冻融耐久性可通过优化MgO含量和纤维增强显著提升。提高MgO含量至11%可形成更致密HMCs胶结网络，而纤维的三维约束效应有效抑制冻胀变形。该研究不仅填补了生物碳酸化软土在极端气候下耐久性研究的空白，更为寒区软土地基加固提供了创新性解决方案。未来通过改善纤维-土壤界面耦合、结合低温养护工艺等策略，有望进一步推动BCRM技术在可持续发展岩土工程中的规模化应用。
